電腦記憶體的運作方式－ Kanawat Senanan

在許多方面，記憶決定了我們是「誰」，幫助我們想起過去，學習與維持技能，並計劃未來。而對經常扮演人類延伸角色的電腦來說，記憶體的功用大致相同。Kanawat Senanan 為大家解說電腦記憶體的運作方式。

課程製作： Kanawat Senanan,，動畫：TED-Ed。

在許多方面來說，
記憶決定了我們是「誰」、

讓我們想起過去、

學習、維持技能、

以及計畫未來。

對作為人類延伸角色的電腦來說，

記憶體的功用大致相同，

無論 1 部 2 小時的電影、

或 2 個單字的文字檔、

或是打開它們的指令，

無論如何，電腦記憶體
都以「位元」形式存放，

或稱「二進位」數字。

每 1 位元存放於
1 個「記憶元」中，

且有 2 個狀態代表 2 個值：

0 與 1。

檔案與程式由數百萬個位元組成，

全部都在中央處理器中處理，

稱為 CPU －

作用如同電腦的大腦。

隨著處理的位元容量指數成長，

電腦設計師不斷努力處理

容量、成本、和處理速度
三方面的難題。

如同我們，電腦擁有短暫記憶體，
用於即時任務，

與永久記憶體作為儲存空間。

當你執行程式時，

作業作系統會分配短暫記憶體

以便執行程式指令。

例如，當你在編輯器中
上按下 1 個鍵時，

CPU 立即存取記憶體，
取得資料對應的位元組。

可以修改位元組的值，
或是新增位元組。

存取所花費的時間稱為「讀取時間」。

由於程式的指令必須
迅速與連續的進行處理，

因此所有短暫記憶體
皆可按照任意順序來存取，

故又稱為「隨機存取記憶體」
- R A M。

最常見的 RAM 為
「動態隨機存取記憶體」- D R A M

每個記憶元由微小
電晶體和電容組成，

可以儲存電荷，

0 值為不含電荷，
1 值則含電荷。

此類記憶體稱為「動態」
的原因是：

因為電荷洩漏很快，
所以維持狀態很短暫，

需要高速重複
供應電荷以保持狀態。

即便已是相當快速的
0.1 微秒的讀取時間，

對於現代 CPU 來說仍然太慢，

所以另一種高速「快取記憶體」

由「靜態」RAM 組成- SRAM。

通常以 6 個相互聯結的電晶體構成，

不需高速重複充電。

SRAM 是計算機系統
中最快的記憶體，

但也是最貴的，

比 DRAM 多 3 倍的占用空間。

RAM 和快取記憶體只能在
供電情況下保持資料。

若要在斷電後保留資料，

必須將它們搬到「永久」儲存裝置上，

市面上有 3 種儲存裝置。

「磁」儲存裝置最便宜，

資料以「磁性」形式儲存於
磁膜塗層的轉盤上。

因圓盤必須旋轉到資料儲存的位置

才能讀取得到，

所以「磁」儲存裝置的讀取時間
比 DRAM 慢了100,000 倍。

第 2 類為「光」儲存裝置，
如： DVD 與 藍光

同樣也是轉盤設計，

不過使用的是「光可反射」塗層。

位元值使用可被雷射讀取的
顏料編碼成「光點」與「暗點」。

儘管光儲存裝置便宜且可移除，

但它們的讀取時間比磁儲存裝置更慢

容量較小。

最後一類永久儲存裝置為
最新型的固態硬碟，

例如快閃隨身碟。

它們沒有機械組件，

而是使用浮動閘極電晶體

「捕捉」與「釋放」電荷來
呈現資料的位元值

這是利用內部結構
的特殊設計使然。

而這些成千上百億的
位元可靠性如何？

我們總認為電腦記憶體
具有穩定性和永久性，

但實際上性能降低相當得快。

裝置和本身與周邊所產生的熱

最終將導致硬碟消磁，

光碟上的顏料退化，

以及浮動閘極電荷的漏失。

固態硬碟還有其他缺點：

在不斷重複寫入下，
將造成電晶體的銹蝕，

最終導致失效。

當今大絕大多數儲存的資料

預期壽命都不會超過 10 年，

所以科學家正嘗試活用
物質的物理特性

深入至量子研究層級，

希望下一代記憶體裝置可以更快、

更小、

更耐久。

眼下，「永恆」對於人類或是
電腦而言仍是遙不可及。